KR100458235B1 - 각도 검출기 - Google Patents

Abstract

센서 헤드와 로드를 포함하는 위치 검출기는 회전체의 회전 궤적을 따라 호형 형태를 갖도록 형성되어 있으며, 로드를 따른 센서 헤드의 이동량은 이 이동량을 로드와 센서 헤드간의 공통 곡률 반경으로 나눔으로써 각도로 변환된다. 이와 같이 함으로써 회전체의 회전각도가 계산된다.

Description

각도 검출기{ANGLE DETECTOR}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 수록되고 있는 2000년 9월 28일자로 출원된 일본 특허 출원 제2000-297699호의 우선권에 기초해서 이 우선권의혜택을 주장한다.

본 발명은 짐벌(gimbal) 기구 등의 축을 중심으로 회전되는 회전체를 구비한 구조체용으로 사용되어 회전체의 회전각도를 검출하는 각도 검출기에 관한 것이다.

회전축을 중심으로 한 회전체의 회전각도를 검출하기 위해 각도 검출기가 사용된다. 회전식 인코더는 이런 종류의 장치에 대한 전형적인 일례이다.

회전식 인코더는 중심이 회전축과 정렬된 상태로 장착되는 회전 디스크와, 이 회전 디스크를 개재시킨 채로 상호 대향 관계로 배치된 광원 및 수광 소자를 구비한다. 디스크는 그 중심으로부터 방사상으로 뻗은 슬릿을 구비한다. 광원으로부터 수광 소자에 도달한 광은 회전축의 회전과 더불어 슬릿을 통과하거나 또는 디스크에 의해 차단된다. 광이 슬릿을 통과하는 횟수와 광이 디스크에 의해 차단되는 횟수를 계수함으로써 회전축을 중심으로 한 회전체의 회전각도가 검출된다.

한편, 이런 종류의 장치의 해상도 및 정밀도 등의 성능은 통상적으로 그 크기에 따라 좌우된다. 예를 들어, 회전식 인코더에서는 디스크의 크기가 클수록 슬릿은 더욱 미세해지므로 해상도가 향상된다. 그러나, 현대적인 정밀 기계에서는 종종 치수상의 제한으로 인해 각도 검출기의 설치 공간이 더욱 좁아져야 하고, 각도 검출기의 치수도 더욱 소형화되어야 하므로 요구되는 성능을 획득하기가 곤란하다.

각도 검출기의 한 적용예에 있어서 2축 짐벌 기구에서는 이들 축을 중심으로 하는 회전각도가 검출되어야 하는 경우가 있다. 짐벌 기구는 예컨대 미사일의 탄두에 장착되어 목표물을 겨냥하는 광센서를 지지하기 위해 사용된다. 미사일의 내부에서 설치 공간을 확보하기란 매우 곤란하다. 그러한 응용예의 각도 검출기에 있어서, 요구되는 성능을 확보하기는 더욱더 곤란해진다.

그런 종래의 각도 검출기는 그 성능이 자체 치수에 따라 좌우된다. 설치 공간이 제한된 경우에는 요구되는 성능이 달성되지 않는 폐해가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 치수의 제한을 경감할 수 있고, 또 그와 같이 함으로써 향상된 성능을 달성할 수 있는 각도 검출기를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 각도 검출기의 구조를 도시한 도면.

도 2a와 도 2b는 직선형의 위치 검출기의 원리를 일반적으로 설명하는 도면.

도 3은 도 1에 도시된 각도 검출기를 갖는 짐벌 기구의 구조를 도시한 사시도.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 각도 검출기의 구조를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 각도 검출기의 구조를 도시한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

61-64 : 유도 코일 65 : 여자 코일

71 : 센서 헤드 72 : 로드

73 : 회로

본 발명은 회전축을 중심으로 한 회전체의 회전각도를 검출하는 각도 검출기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 각도 검출기는 회전체 상에 장착되고 AC 신호가 인가되는 유도 코일을 구비한 센서 헤드, 및 회전체의 회전과 더불어 이동되는 센서 헤드의 이동 초점에 대향해서 배치되며, 복수개의 자기 응답 부재가 고정 배치된 로드를 포함하고, 회전체의 회전각도는 로드(rod)에 대해 센서 헤드를 이동시킴으로써 유도 코일에 유도되는 출력 신호로부터 검출된다.

센서 헤드와 로드간의 상대 이동량은 예를 들어 상기 유도된 출력 신호의 위상 변화를 검출함으로써 획득된다. 센서 헤드와 로드는 동일한 곡률 반경을 가지며, 이동량은 이 이동량을 곡률 반경으로 나눔으로써 회전체의 회전각도로 변환된다.

상술한 구조에서, 회전체의 회전각도는 로드를 따른 센서 헤드의 이동량(또는 센서 헤드를 따른 로드의 이동량)에 대응한다. 로드를 따른 센서 헤드의 이동량은 유도 코일에 유도된 출력 신호에 의해 검출된다.

센서 헤드 또는 로드는 예를 들어 회전체 자체 및 회전체를 지지하는 지지 기구 등에 매립된 상태로 제공될 수 있다. 따라서, 각도 검출기 자체의 크기를 증가시킬 수 있다. 즉, 각도 검출기의 치수 제한을 경감하여 각도 검출기의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 부가적인 목적과 장점은 다음에 올 상세한 설명에서 기술되고, 상기 장점 및 목적은 발명의 상세한 설명으로부터 부분적으로 명백해지거나 본 발명의 실행에 의해 알게 될 것이다. 본 발명의 목적과 장점은 특히 지금부터 설명되는 구성 및 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.

본 명세서에 수록되어 본 명세서의 일부를 구성은 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고, 상기에 기술된 일반적인 설명 및 하기에 기술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

<제 1 실시예>

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 각도 검출기의 구조를 도면이다. 도 1에 도시된 각도 검출기는 센서 헤드(71)와 로드(72)를 포함한다. 센서 헤드(71)는 회전축을 중심으로 회전되도록 이루어진 회전체(1)에 장착된다. 로드(72)는 상기 회전체(1)로부터 분리된 관계로 제공되는 고정 부재(3) 상에 장착된다.

회전체(1)의 회전으로 센서 헤드(71)는 로드(72)를 따라서 이동된다. 연결 라인(4)은 센서 헤드(71)에 부착되어 센서 헤드(71)에 구동 전압을 공급하고 회전신호에 대응하는 검출 신호를 출력하도록 되어 있다.

상술한 구조의 특징은 로드(72)가 센서 헤드(71)의 이동 궤적을 따르는 호형 형태를 갖도록 형성되어 있다는데 있다. 센서 헤드(71)와 로드(72)는 동일 곡률 반경을 갖는 것이 바람직하다.

도 2는 직선형 위치 검출기의 원리를 일반적으로 설명하는 도면이다. 도 2a 및 도 2b에서, 도 1에 도시된 부분 또는 영역에 대응하는 부분과 지역을 나타내기 위하여 동일한 참조 부호가 채용된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 직선형 위치 검출기는 예를 들어 일본 공개특허공보 평10-170210호에 개시되어 있다.

도 2a에서, 로드(72)는 센서 헤드(71)에 대하여 비접촉 상태로 배치되어 있다. 로드(72)는 규칙적인 배열의 자기 응답 부재(5, a regular array of magnetically responding member)를 갖는다.

센서 헤드(71)는 여자 코일(65), 유도 코일(61-64) 및 회로(73)를 포함한다. 유도 코일(61-64)은 여자 코일(65)의 내부를 구성한다. 유도 코일(61, 63)은 서로 연결된다. 유도 코일(62,64)은 서로 연결된다.

여자 코일(65)이 (오실레이터(8)에서 발생되는) 소정 주파수의 AC 여자 신호에 의해 여자되고, 센서 헤드(71)가 로드(72)에 대하여 이동되는 경우, AC 자속이 각각의 코일 위치로 유도되어, 2개의 유도 출력 신호가 2쌍의 유도 코일(61과 63, 62와 64)로부터 출력된다.

도 2b에서, AC 여자 신호(ASinωt)가 여자 코일(65)에 가해지는 경우, AC 여자 신호의 진폭과 다른 2개의 신호[aSin(θ, x)·Sinωt, aCos(θ, x)·Sinωt]가 유도 코일의 위치에 따라서 출력된다. 회로(73)에서, 출력 신호[aSin(θ, x)·Sinωt]는 π/2 위상 이동되어 aSin(θ, x)·Cosωt가 되고, aSin((θ, x)·Cosωt 및 다른 출력 신호 aCos(θ, x)·Sinωt는 가법 정리에 의해 합성 신호[aSin(ωt ±θ, x)]가 된다.

회로(73)는 START/RESET이 회로(73)의 표준 클럭에 기초한 여자 신호와 동기화되어 매 1 사이클마다 반복되는 카운터를 포함한다. 합성 신호[aSin(ωt ±θ, x)]의 제로 교차점이 출력되고, 제로 교차점에서의 카운터의 디지털 값은 (θ, x)와 대응한다. 따라서, 로드(72)의 위치 데이터는 디지털의 위상차를 계수함으로써 얻어진다.

도 1에 도시된 각도 검출기에서, 로드(72)가 호형 형태로 형성된다. 따라서, 로드(72)와 센서(71)간의 상대 이동량은 회전체(1)와 고정 부재(3)간의 상대 회전각도에 대응한다. 즉, 로드(72)와 센서 헤드(71)간의 상대 이동량은 길이의 차원을 갖는다. 상기 상대 이동량을 로드(72)의 곡률 반경(센서 헤드(71)의 회전 반경)으로 나눔으로써 회전체의 회전각도를 환산할 수 있다.

이와 같이 배치된 본 실시예에서, 센서 헤드(71) 및 로드(72)가 장착된 위치 검출기는 회전체의 회전 궤적을 따라 호형 형태를 갖도록 형성된다. 로드(72)와 센서 헤드(71)간의 공통 곡률 반경으로 나누어짐으로써, 로드(72)를 따른 센서 헤드(71)의 이동량은 대응하는 각도로 변환되고, 그렇게 함으로 회전체(1)의 회전각도를 계산할 수 있다.

이런 방식으로 각도 검출기의 형태가 디스크형 형태에서 호형 형태로 변화되기 때문에 각도 검출기는 보다 유효한 공간 인자를 갖는 관련 구조체 상에 장착될수 있다. 그 결과, 각도 검출기 자체의 크기를 증대시킬 수 있으므로 각도 검출기의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 각도 검출기가 장착된 짐벌 기구를 도시한 사시도이다. 짐벌 기구는 Z축을 중심으로 회전가능한 짐벌(1)을 포함한다. 장착되어야 몸체(8)는 Y축을 중심으로 회전가능하도록 짐벌(1)에 장착된다. 그렇게 함으로써, 지지되어야 몸체(8)는 Y축과 Z축을 중심으로 회전가능하다.

센서 헤드(71)는 규정된 위치에서 짐벌(1) 상에 장착된다. 로드(72)는 (도시되지 않은) 지지 컬럼에 의해 지지되고 Z축을 중심으로 한 센서 헤드의 이동 궤적을 따르도록 호형 형태로 형성된다. 그렇게 함으로써, Z축을 중심으로 한 짐벌의 회전각도를 검출할 수 있다. Y축을 중심으로 한 지지될 몸체(8)의 회전각도는 기존의 디스크형 각도 검출기(9)에 의해 검출됨을 주지해야 한다.

도 3에서 기존의 각도 검출기(9)와 비교하여, 본 발명에 따른 각도 검출기의 작동 반경을 증대시킬 수 있으므로 Z축을 중심으로 한 검출 각도의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

<제 2 실시예>

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 각도 검출기를 도시한 도면이다. 도 4에서, 로드(72)는 회전체(1)의 한 측면에 장착된다. 센서 헤드(71)는 고정 부재(3)에 장착된다. 로드(72)는 회전체(1)의 작동 범위를 커버할 수 있도록 설정된 길이를 가지며, 회전체(1)의 가장자리에 장착되는 것이 바람직하다.

상술한 배치에서, 회전체(1)가 회전되면 로드(72)가 이동된다. 센서 헤드(71)는 고정되어 있기 때문에, 센서 헤드(71)와 로드간의 상대 이동은 회전체(1)의 회전으로 이루어진다. 그렇게 함으로써, 회전체(1)의 회전각도를 검출할 수 있다.

상술한 실시예에 따르면 제 1 실시예의 장점뿐만 아니라 후술할 추가적인 장점도 얻을 수 있다. 도 4에서, 센서 헤드(71)는 고정 부재(3) 상에 장착되며, 이런 이유로 인해 연결 라인(4)이 회전체(1)의 회전에 대해 장애를 제공할 우려가 없다. 이것은 회전체(1)의 원활한 이동을 확보하고, 또 회전축(2)에 스트레스를 부여하지 않을 수 있기 때문에 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

<제 3 실시예>

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 각도 검출기의 구조를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 각도 검출기는 회전체(1) 상에 장착된 로드(72)의 길이가 1 피치, 즉 센서 헤드(71)의 폭에 대응하는 유형으로 되어 있다. 이런 경우에, 많은 센서 헤드(71)는 고정 부재(3) 상에 장착된다. 회전체(1)의 작동 범위는 복수개의 센서 헤드에 의해 커버된다.

상술한 구조에서, 로드(72)가 이동되어 센서 헤드에 대면할 때 센서 헤드(71)는 출력을 발생시킨다. 즉, 센서 헤드(71)의 출력은 선택적으로 유효해지며 회전체의 회전각도의 검출을 위해 사용된다. 또한, 각도 검출기의 측정 범위는 복수 피치에 걸쳐 확보된다.

도 4에 도시된 구조에서는 필요한 각도 측정 범위가 로드(72)를 더 길게 함으로 얻어지는 반면에, 도 5에 도시된 구조에서는 그러한 필요한 각도 측정 범위가로드(72)의 길이를 더 짧게 하고, 그 대신 복수개의 센서 헤드(71)를 제공함으로써 얻어진다.

그렇게 하더라도 도 4에서와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 후술할 장점도 얻을 수 있다. 도 4에 도시된 구조에서, 회전체(1)의 관성 모멘트는 로드(72)의 무게로 인해 증가되며 회전체(1)의 원활한 회전을 얻지 못할 우려가 있다. 도 5에 도시된 구조에서, 회전체(1)의 관성 모멘트는 가능한한 적어져야 하며 이것은 회전체(1)의 보다 원활한 회전을 확보한다.

당업자에게는 본 발명의 추가적인 장점 및 변형이 쉽게 일어날 것이다. 그러므로, 보다 넓은 견지에서의 본 발명은 본 명세서에 개시되고 도시된 상세한 설명이나 대표적인 실시예로 제한되어서는 안된다. 이에 따라, 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 한정되는 전반적인 발명 개념의 정신 또는 범주를 이탈하지 않고 각종 변형이 이루질 수 있다.

상술한 구성의 본 발명에 따르면 각도 검출기의 치수 제한을 경감하고 각도 검출기의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 회전축을 중심으로 한 회전체의 회전각도를 검출하기 위한 각도 검출기로서,

   상기 회전체 상에 장착되고 AC 신호가 인가되는 유도 코일을 구비한 센서 헤드와,

   상기 회전체의 회전에 수반하여 이동하는 상기 센서 헤드의 이동 궤적에 대향해서 배치 고정되는 복수의 자기 응답 부재를 구비한 로드를 포함하고,

   상기 센서 헤드가 상기 로드에 대해 이동함으로써 상기 유도 코일에 생기는 자기 유도 출력 신호로부터 상기 회전체의 회전각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 각도 검출기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 센서 헤드와 상기 로드는 같은 곡률 반경을 가지며,

   상기 자기 유도 출력 신호로부터 상기 센서 헤드와 상기 로드간의 상대 이동량을 구하고, 상기 이동량을 곡률 반경으로 나눔으로써 상기 회전각도로 환산하는 것을 특징으로 하는 각도 검출기.
3. 회전체의 회전각도를 검출하기 위한 각도 검출기로서,

   상기 회전체 상에 장착되고 복수의 자기 응답 부재가 배치되는 로드와,

   AC 신호가 인가되는 유도 코일을 구비하고 상기 회전체의 회전에 수반하여 이동하는 상기 로드의 이동 궤적에 대향해서 배치 고정되는 센서 헤드를 포함하고,

   상기 로드가 상기 센서 헤드에 대해 이동함으로써 상기 유도코일에 생기는 자기 유도 출력 신호로부터 상기 회전체의 회전각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 각도 검출기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 센서 헤드와 상기 로드는 같은 곡률 반경을 가지며,

   상기 자기 유도 출력 신호로부터 상기 센서 헤드와 상기 로드간의 상대 이동량을 구하고, 상기 이동량을 곡률 반경으로 나눔으로써 상기 회전각도로 환산하는 것을 특징으로 하는 각도 검출기.
5. 회전축을 중심으로 한 회전체의 회전각도를 검출하기 위한 각도 검출기로서,

   상기 회전체 상에 장착되고 하나 이상의 자기 응답 부재를 구비한 로드와,

   각각이 AC 신호가 인가되는 유도 코일을 구비하고 상기 회전체의 회전에 수반하여 이동하는 상기 로드의 이동 궤적에 대향해서 배치 고정되는 복수개의 센서 헤드를 포함하고,

   상기 로드가 상기 복수의 센서 헤드에 대해 이동함으로써 각 센서 헤드의 상기 유도 코일에 생기는 자기 유도 출력 신호로부터 상기 회전체의 회전각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 각도 검출기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 센서 헤드와 상기 로드는 같은 곡률 반경을 가지며,

   상기 자기 유도 출력 신호로부터 상기 센서 헤드와 상기 로드간의 상대 이동량을 구하고, 상기 이동량을 곡률 반경으로 나눔으로써 상기 회전각도로 환산하는 것을 특징으로 하는 각도 검출기.